Γραφένιο και μπαταρίες

Το γραφένιο, ένα φύλλο ατόμων άνθρακα συνδεδεμένα μεταξύ τους σε δικτυωτό πλέγμα κηρήθρας, αναγνωρίζεται σε μεγάλο βαθμό ως «θαυματουργό υλικό» λόγω των μυριάδων εκπληκτικών ιδιοτήτων που διαθέτει. Είναι ένας ισχυρός αγωγός ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας, εξαιρετικά ελαφρύς χημικά αδρανής και εύκαμπτος με μεγάλη επιφάνεια. Θεωρείται επίσης φιλικό προς το περιβάλλον και βιώσιμο, με απεριόριστες δυνατότητες για πολλές εφαρμογές.

Εικόνα πλεονεκτημάτων της μπαταρίας γραφενίουΤα πλεονεκτήματα των μπαταριών γραφενίου

Στον τομέα των μπαταριών, τα συμβατικά υλικά ηλεκτροδίων μπαταρίας (και τα μελλοντικά) βελτιώνονται σημαντικά όταν ενισχύονται με γραφένιο. Μια μπαταρία γραφενίου μπορεί να είναι ελαφριά, ανθεκτική και κατάλληλη για αποθήκευση ενέργειας υψηλής χωρητικότητας, καθώς και για μείωση του χρόνου φόρτισης. Θα παρατείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, η οποία συνδέεται αρνητικά με την ποσότητα άνθρακα που επικαλύπτεται στο υλικό ή προστίθεται στα ηλεκτρόδια για να επιτευχθεί αγωγιμότητα, και το γραφένιο προσθέτει αγωγιμότητα χωρίς να απαιτεί τις ποσότητες άνθρακα που χρησιμοποιούνται στις συμβατικές μπαταρίες.

Το γραφένιο μπορεί να βελτιώσει τα χαρακτηριστικά της μπαταρίας όπως η πυκνότητα και η μορφή ενέργειας με διάφορους τρόπους. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (και άλλοι τύποι επαναφορτιζόμενων μπαταριών) μπορούν να βελτιωθούν με την εισαγωγή γραφενίου στην άνοδο της μπαταρίας και την αξιοποίηση της αγωγιμότητας του υλικού και των χαρακτηριστικών μεγάλης επιφάνειας για την επίτευξη μορφολογικής βελτιστοποίησης και απόδοσης.

Έχει επίσης ανακαλυφθεί ότι η δημιουργία υβριδικών υλικών μπορεί επίσης να είναι χρήσιμη για την επίτευξη βελτίωσης της μπαταρίας. Ένα υβρίδιο οξειδίου του βαναδίου (VO2) και το γραφένιο, για παράδειγμα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε καθόδους ιόντων λιθίου και να παρέχουν γρήγορη φόρτιση και εκφόρτιση καθώς και μεγάλη διάρκεια κύκλου φόρτισης. Σε αυτή την περίπτωση, VO2 προσφέρει υψηλή ενεργειακή χωρητικότητα αλλά κακή ηλεκτρική αγωγιμότητα, η οποία μπορεί να λυθεί χρησιμοποιώντας το γραφένιο ως ένα είδος δομικής «ραχοκοκαλιάς» στην οποία θα προσκολληθεί VO2 – δημιουργία ενός υβριδικού υλικού που έχει τόσο αυξημένη χωρητικότητα όσο και εξαιρετική αγωγιμότητα.

Ένα άλλο παράδειγμα είναι οι μπαταρίες LFP (φωσφορικό σίδηρο λιθίου), δηλαδή ένα είδος επαναφορτιζόμενης μπαταρίας ιόντων λιθίου. Έχει χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα από άλλες μπαταρίες ιόντων λιθίου αλλά υψηλότερη πυκνότητα ισχύος (δείκτης του ρυθμού με τον οποίο μπορεί να παρέχεται ενέργεια από την μπαταρία). Η ενίσχυση των καθόδων LFP με γραφένιο επέτρεψε στις μπαταρίες να είναι ελαφριές, να φορτίζονται πολύ πιο γρήγορα από τις μπαταρίες Li-ion και να έχουν μεγαλύτερη χωρητικότητα από τις συμβατικές μπαταρίες LFP.

Εκτός από την επανάσταση στην αγορά μπαταριών, η συνδυασμένη χρήση μπαταριών γραφενίου και γραφενίου υπερσυμπιεστές θα μπορούσε να αποφέρει εκπληκτικά αποτελέσματα, όπως η σημειωμένη ιδέα της βελτίωσης της αυτονομίας οδήγησης και της απόδοσης του ηλεκτρικού αυτοκινήτου. Ενώ οι μπαταρίες γραφενίου δεν έχουν φτάσει ακόμη σε ευρεία εμπορευματοποίηση, αναφέρονται καινοτομίες μπαταριών σε όλο τον κόσμο.

Βασικά στοιχεία μπαταρίας

Οι μπαταρίες χρησιμεύουν ως φορητή πηγή ενέργειας, επιτρέποντας στις συσκευές που λειτουργούν με ηλεκτρική ενέργεια να λειτουργούν χωρίς να συνδέονται απευθείας σε πρίζα. Ενώ υπάρχουν πολλοί τύποι μπαταριών, η βασική ιδέα με την οποία λειτουργούν παραμένει παρόμοια: μία ή περισσότερες ηλεκτροχημικές κυψέλες μετατρέπουν την αποθηκευμένη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Μια μπαταρία είναι συνήθως κατασκευασμένη από ένα μεταλλικό ή πλαστικό περίβλημα, που περιέχει έναν θετικό ακροδέκτη (μια άνοδο), έναν αρνητικό ακροδέκτη (μια κάθοδο) και ηλεκτρολύτες που επιτρέπουν στα ιόντα να κινούνται μεταξύ τους. Ένας διαχωριστής (μια διαπερατή πολυμερική μεμβράνη) δημιουργεί ένα φράγμα μεταξύ της ανόδου και της καθόδου για την αποφυγή ηλεκτρικών βραχυκυκλωμάτων ενώ επιτρέπει επίσης τη μεταφορά ιοντικών φορέων φορτίου που χρειάζονται για να κλείσει το κύκλωμα κατά τη διέλευση του ρεύματος. Τέλος, χρησιμοποιείται συλλέκτης για τη διεξαγωγή της φόρτισης εκτός της μπαταρίας, μέσω της συνδεδεμένης συσκευής.

Εικόνα σχεδίου μπαταρίας

Όταν ολοκληρωθεί το κύκλωμα μεταξύ των δύο ακροδεκτών, η μπαταρία παράγει ηλεκτρισμό μέσω μιας σειράς αντιδράσεων. Η άνοδος υφίσταται μια αντίδραση οξείδωσης κατά την οποία δύο ή περισσότερα ιόντα από τον ηλεκτρολύτη συνδυάζονται με την άνοδο για να παράγουν μια ένωση, απελευθερώνοντας ηλεκτρόνια. Ταυτόχρονα, η κάθοδος περνά από μια αντίδραση αναγωγής στην οποία η ουσία της καθόδου, τα ιόντα και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συνδυάζονται σε ενώσεις. Με απλά λόγια, η αντίδραση της ανόδου παράγει ηλεκτρόνια ενώ η αντίδραση στην κάθοδο τα απορροφά και από αυτή τη διαδικασία παράγεται ηλεκτρισμός. Η μπαταρία θα συνεχίσει να παράγει ηλεκτρισμό μέχρι να εξαντληθούν τα ηλεκτρόδια από την απαραίτητη ουσία για τη δημιουργία αντιδράσεων.

Τύποι και χαρακτηριστικά μπαταριών

Οι μπαταρίες χωρίζονται σε δύο βασικούς τύπους: πρωτογενείς και δευτερεύουσες. Οι πρωτεύουσες μπαταρίες (μιας χρήσης), χρησιμοποιούνται μία φορά και αχρηστεύονται καθώς τα υλικά των ηλεκτροδίων σε αυτές αλλάζουν αμετάκλητα κατά τη φόρτιση. Συνηθισμένα παραδείγματα είναι η μπαταρία ψευδαργύρου-άνθρακα καθώς και η αλκαλική μπαταρία που χρησιμοποιείται σε παιχνίδια, φακούς και πλήθος φορητών συσκευών. Οι δευτερεύουσες μπαταρίες (επαναφορτιζόμενες), μπορούν να αποφορτιστούν και να επαναφορτιστούν πολλές φορές, καθώς η αρχική σύνθεση των ηλεκτροδίων μπορεί να ανακτήσει τη λειτουργικότητα. Παραδείγματα περιλαμβάνουν μπαταρίες μολύβδου-οξέος που χρησιμοποιούνται σε οχήματα και μπαταρίες ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούνται για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές.

Οι μπαταρίες διατίθενται σε διάφορα σχήματα και μεγέθη για αμέτρητους διαφορετικούς σκοπούς. Τα διαφορετικά είδη μπαταριών παρουσιάζουν ποικίλα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου (NiCd) έχουν σχετικά χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα και χρησιμοποιούνται όπου η μεγάλη διάρκεια ζωής, ο υψηλός ρυθμός εκφόρτισης και η οικονομική τιμή είναι καθοριστικής σημασίας. Μπορούν να βρεθούν σε βιντεοκάμερες και ηλεκτρικά εργαλεία, μεταξύ άλλων χρήσεων. Οι μπαταρίες NiCd περιέχουν τοξικά μέταλλα και είναι μη φιλικές προς το περιβάλλον. Οι μπαταρίες νικελίου-υδριδίου μετάλλου έχουν υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα από αυτές με NiCd, αλλά και μικρότερη διάρκεια ζωής. Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν κινητά τηλέφωνα και φορητούς υπολογιστές. Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος είναι βαριές και παίζουν σημαντικό ρόλο σε εφαρμογές μεγάλης ισχύος, όπου το βάρος δεν είναι ουσιαστικό αλλά η οικονομική τιμή. Είναι διαδεδομένα σε χρήσεις όπως νοσοκομειακός εξοπλισμός και φωτισμός έκτακτης ανάγκης.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (ιόντων λιθίου) χρησιμοποιούνται όπου η υψηλή ενέργεια και το ελάχιστο βάρος είναι σημαντικά, αλλά η τεχνολογία είναι εύθραυστη και απαιτείται ένα κύκλωμα προστασίας για να διασφαλιστεί η ασφάλεια. Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν κινητά τηλέφωνα και διάφορα είδη υπολογιστών. Οι μπαταρίες πολυμερών ιόντων λιθίου (πολυμερές ιόντων λιθίου) βρίσκονται κυρίως σε κινητά τηλέφωνα. Είναι ελαφριά και απολαμβάνουν πιο λεπτή μορφή από αυτή των μπαταριών Li-ion. Είναι επίσης συνήθως πιο ασφαλή και έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Ωστόσο, φαίνεται να είναι λιγότερο διαδεδομένες, καθώς οι μπαταρίες Li-ion είναι φθηνότερες στην κατασκευή και έχουν υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα.

Μπαταρίες και υπερπυκνωτές

Ενώ υπάρχουν ορισμένοι τύποι μπαταριών που μπορούν να αποθηκεύσουν μεγάλη ποσότητα ενέργειας, είναι πολύ μεγάλες, βαριές και απελευθερώνουν ενέργεια αργά. Οι πυκνωτές, από την άλλη πλευρά, είναι σε θέση να φορτίζουν και να αποφορτίζονται γρήγορα, αλλά διατηρούν πολύ λιγότερη ενέργεια από μια μπαταρία. Η χρήση γραφενίου σε αυτόν τον τομέα, ωστόσο, παρουσιάζει νέες συναρπαστικές δυνατότητες αποθήκευσης ενέργειας, με υψηλούς ρυθμούς φόρτισης και εκφόρτισης και ακόμη και οικονομική προσιτότητα. Η βελτιωμένη απόδοση σε γραφένιο θολώνει έτσι τη συμβατική γραμμή διάκρισης μεταξύ υπερσυμπιεστές και μπαταρίες.

Εικόνα μπαταριών έναντι υπερπυκνωτώνΟι μπαταρίες γραφενίου συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα τόσο των μπαταριών όσο και των υπερπυκνωτών

Οι μπαταρίες ενισχυμένες με γραφένιο είναι σχεδόν εδώ

Οι μπαταρίες με βάση το γραφένιο έχουν συναρπαστικές δυνατότητες και ενώ δεν είναι ακόμη πλήρως διαθέσιμες στο εμπόριο, η Ε&Α είναι εντατική και ελπίζουμε ότι θα αποφέρει αποτελέσματα στο μέλλον. Εταιρείες σε όλο τον κόσμο (συμπεριλαμβανομένης της Samsung, της Huawei και άλλων) αναπτύσσουν διαφορετικούς τύπους μπαταριών ενισχυμένων με γραφένιο, μερικές από τις οποίες εισέρχονται τώρα στην αγορά. Οι κύριες εφαρμογές είναι σε ηλεκτρικά οχήματα και κινητές συσκευές.

Ορισμένες μπαταρίες χρησιμοποιούν γραφένιο με περιφερειακούς τρόπους - όχι στη χημεία των μπαταριών. Για παράδειγμα, το 2016, Η Huawei παρουσίασε μια νέα μπαταρία Li-Ion ενισχυμένη με γραφένιο που χρησιμοποιεί γραφένιο για να παραμείνει λειτουργικό σε υψηλότερη θερμοκρασία (60° βαθμούς σε αντίθεση με το υπάρχον όριο των 50°) και να προσφέρει διπλάσιο χρόνο λειτουργίας. Σε αυτήν την μπαταρία χρησιμοποιείται γραφένιο για καλύτερη απαγωγή θερμότητας – μειώνει τη θερμοκρασία λειτουργίας της μπαταρίας κατά 5 βαθμούς.

 

πηγή: Μπαταρίες γραφενίου: Εισαγωγή και Νέα Αγοράς | Graphene-Info

Μεταφράζω "